非對(duì)稱多赫爾蒂功率放大器設(shè)計(jì)

摘 要：傳統(tǒng)的非對(duì)稱多赫爾蒂功率放大器設(shè)計(jì)方法只能使主路放大器、輔路放大器其中之一匹配到50歐姆，這使主路放大器或輔路放大器的單獨(dú)設(shè)計(jì)、測(cè)試很不方便。本文以1：2的非對(duì)稱比為例介紹了一種利用混合電橋設(shè)計(jì)非對(duì)稱多赫爾蒂功率放大器的設(shè)計(jì)方法。該方法不僅能夠讓主路功放、輔路功放都同時(shí)匹配到50歐姆，而且在700MHz以下頻段，可以顯著減小電路的面積。

關(guān)鍵詞：功率放大器；非對(duì)稱；多赫爾蒂；混合電橋

中圖分類號(hào)：TN722.75；TN015 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0054-04

Abstract：The traditional design method of asymmetric Dohert power amplifier can only match one of the main amplifier and auxiliary path amplifier to 50 ohms. This makes the main path amplifier or auxiliary path amplifier independent design and test very inconvenient. Taking asymmetric ratio of 1：2 as an example，this paper introduces a design method of asymmetric Dohert power amplifier using hybrid bridge. This method can match the main power amplifier and auxiliary power amplifier to 50 ohms simultaneously，and the area of the circuit can be significantly reduced under the frequency band below 700MHz.

Keywords：power amplifier；asymmetric；Dohert；hybrid Bridge

0 引 言

功率放大器（PA：Power Amplifier）是無線通信設(shè)備中的核心部件，決定了系統(tǒng)的功耗和線性等關(guān)鍵指標(biāo)。為了提高頻譜利用率，信號(hào)的調(diào)制方式越來越復(fù)雜，這造成射頻信號(hào)的峰均比（PAR：Peak Average Ration）越來越高。傳統(tǒng)的功率回退PA無法滿足高PAR下的功耗要求，Doherty技術(shù)是最有效的效率提升手段。

理想對(duì)稱Doherty PA只能保證在6dB功率回退時(shí)可以獲得比較高的效率，但現(xiàn)代多制式通信系統(tǒng)中，信號(hào)PAR可能高達(dá)8dB或以上。在這種情況下，需要采用非對(duì)稱（如主路、輔路輸出功率比≈1：2）或多路（如主路、輔路輸出功率比為1：1：1）的Doherty架構(gòu)，才能保證系統(tǒng)仍能保持較高的效率。同時(shí)，由于主路功率管偏置在Class AB類，輔路功率管偏置在Class C類，所以即使主、輔路使用一樣的功率管，在輸入同等功率的情況下，主、輔路功率管并不能同時(shí)達(dá)到飽和?！皩?duì)稱”Doherty PA實(shí)際上是工作于“不對(duì)稱”狀態(tài)下，主、輔路PA輸出的功率并不相等。

傳統(tǒng)的非對(duì)稱Doherty PA設(shè)計(jì)中，主路、輔路是匹配到不同的阻抗，也就是說主、輔路功放不是同時(shí)都匹配到50歐姆，這就導(dǎo)致50歐系統(tǒng)下無法單獨(dú)完整測(cè)試主、輔路功放性能，從而影響Doherty PA系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本文以主路、輔路功率比為1：2舉例，闡述了一種新穎的非對(duì)稱Doherty PA設(shè)計(jì)方法，可以使主路、輔路功放同時(shí)匹配到50歐姆，大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和測(cè)試難度，從而容易獲得優(yōu)異的性能。

1 Doherty功放原理

1.1 Doherty結(jié)構(gòu)

Doherty技術(shù)是由貝爾試驗(yàn)室的W.H Doherty于1936年提出[1]，其基本結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

由圖1可以看出，Doherty PA由輸入功分、主路功放、輔路功放、補(bǔ)償線、有源負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)組成。當(dāng)主路功放與輔路功放輸出功率一樣時(shí)，為對(duì)稱Doherty；當(dāng)主路功放與輔路功放輸出功率不一樣時(shí)，為非對(duì)稱Doherty。

1.2 有源負(fù)載調(diào)制原理

把主路功放等效為電流Im，輔路功放等效為電流源-jIp，則圖1的Doherty電路除輸入、補(bǔ)償線外，可等效為圖2電路。

對(duì)圖2電路進(jìn)行分析，有如下關(guān)系：

2 1：2非對(duì)稱Doherty設(shè)計(jì)

主路功放決定大部分Doherty功放的性能，所以一般都是使主路功放匹配到50歐姆，以便單獨(dú)測(cè)試主路功放性能。輸入功分器采用90°混合電橋，根據(jù)式（6），可得如圖3所示的1：2非對(duì)稱Doherty PA電路框圖。

假設(shè)各傳輸線都是無耗的，可得到圖3中圓點(diǎn)虛線框內(nèi)三端口網(wǎng)絡(luò)的[S]矩陣為式（8）。

圖3電路中，若主路、輔路同時(shí)達(dá)到飽和，則圓點(diǎn)虛線框內(nèi)的電路實(shí)際上與2dB混合電橋的作用一樣。我們來分析一下，是否可以用2dB混合電橋來代替該電路。圖4（a）所示2dB電橋網(wǎng)絡(luò)的[S]矩陣為式（9）。

圖3圓點(diǎn)虛線框內(nèi)網(wǎng)絡(luò)是3端口網(wǎng)絡(luò)，把圖4（a）的隔離端口④開路，即使：

聯(lián)合式（9）、（10）得圖4（b）三端口網(wǎng)絡(luò)[S]矩陣為式（11）。

對(duì)比式（8）與式（11）可知，只有涉及到③端口的S參數(shù)有一負(fù)90°的相移區(qū)別，只要在圖4（b）③端口接一50歐姆、90°電長(zhǎng)度的傳輸線，如圖4（c）所示，該網(wǎng)絡(luò)的[S]矩陣即與式（8）完全一致，即圖4（c）所示網(wǎng)絡(luò)與圖3圓點(diǎn)虛線框網(wǎng)絡(luò)等效。圖4（c）網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)③端口是接50歐姆的負(fù)載時(shí)，③端口所接的50歐姆、90°電長(zhǎng)度的低損耗傳輸線只是造成相位延遲，并不會(huì)有其他的影響。所以實(shí)際使用時(shí)，圖4（b）網(wǎng)絡(luò)即可替代圖3的圓點(diǎn)虛線框內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

由參考平面平移S參數(shù)計(jì)算[2]，可以很容易地知道圖5（a）和圖5（b）網(wǎng)絡(luò)具有一樣的S參數(shù)矩陣。故圖4（b）網(wǎng)絡(luò)可等效為圖圖6（a）網(wǎng)絡(luò)。

同前分析，圖6（a）③端口因接50歐姆負(fù)載，該端口所接50歐姆、θ電長(zhǎng)度的傳輸線可去掉，也即圖6（b）網(wǎng)絡(luò)可完全替代圖3圓點(diǎn)虛線框網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，從而可得圖7所示的新穎1：2非對(duì)稱Doherty電路原理框圖。

3 1：2非對(duì)稱Doherty設(shè)計(jì)

依據(jù)圖7的框圖，本文選用Ampleon公司的BLP8G27 -10（10W）[3]及BLP9G0722-20G（20W）[4]器件設(shè)計(jì)了一款工作于450MHz～480MHz、平均功率輸出5W的1：2非對(duì)稱Doherty PA，PCB如圖8所示。在該頻段，因?yàn)榛旌想姌虻某叽邕h(yuǎn)小于λ/4微帶線尺寸，所以使用混合電橋設(shè)計(jì)，可以大大減小PCB的面積。該Doherty PA性能如圖9所示，從圖中可以看出，使用2dB混合電橋的確可以實(shí)現(xiàn)Doherty設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 論

實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，本文介紹的使用2dB混合電橋設(shè)計(jì)非平衡Doherty PA的方法是行之有效的。按照同樣的思路，我們也可以使用3dB、4dB、5dB混合電橋設(shè)計(jì)不同主路功放、輔路功放功率比的Doherty PA。

參考文獻(xiàn)：

[1] David M.Pozar.微波工程Microwave Engineering [M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] Doherty W H. A new high efficiency amplifier for modulated waves [J].Proc.IRE，1936-09，24：1163-1182.

[3] Ampleon. BLP8G21-10 Datasheet [EB/OL].https：//www.ampleon.com/documents/data-sheet/BLP8G27-10.pdf，2015.

[4] Ampleon.BLP9G0722-20G Datasheet [EB/OL].https：//www.ampleon.com/documents/data-sheet/BLP9G0722-20_9G0722-20G.PDF，2018.

作者簡(jiǎn)介：謝路平（1981.11-），男，漢族，江西大余人，研發(fā)副部長(zhǎng)，通信技術(shù)中級(jí)工程師，本科。研究方向：高效率線性寬帶射頻功率放大器。